Teilprojekt B02 – Sonderforschungsbereich 1153 – Leibniz Universität Hannover

Motivation und Zielsetzung

Werden in verschiedenen Bauteilbereichen unterschiedliche Eigenschaften erforderlich, stellt der Einsatz hybrider Bauteile einen interessanten Ansatz dar. Die Kombination von mehreren Werkstoffen ermöglicht das Bauteilgewicht zu reduzieren bzw. kostenintensiven Werkstoff einzusparen. Die wesentliche Herausforderung ist die Verarbeitung hybrider Halbzeuge mit stark divergierenden thermophysikalischen Eigenschaften (z. B. Fließspannung und Wärmeausdehnung). Um ein hohes Formänderungsvermögen innerhalb des Hybridhalbzeuges zu erreichen, werden beide Werkstoffe zeitgleich auf ihre werkstoffspezifischen Schmiedetemperaturen erwärmt. Aus diesem Grund werden spezifische Erwärmungsstrategien mit inhomogener Temperaturverteilung entwickelt. Die erforderlichen Temperaturgradienten werden durch die gezielte Ausnutzung des Skin-Effektes bei der induktiven Erwärmung eingestellt. Eine weitere Herausforderung liegt in der Entwicklung der Umformprozesse, die es ermöglichen die Lage der Fügezone und deren Eigenschaften gezielt einzustellen. Dabei soll zeitgleich der Materialfluss beherrscht werden sowie eine Einflussnahme auf die Mikrostruktur der Fügezone durch thermomechanische Behandlung erfolgen.

Ergebnisse

In der ersten Förderperiode konnte das Gesenkschmieden koaxial angeordneter Hybridhalbzeuge am Beispiel eines Kegelrades aus unterschiedlichen Stahlsorten (C22.8 und 41Cr4 bzw. X45CrSi9-3) sowie einer Lagerbuchse aus Stahl-Aluminium (20MnCr5 und EN AW-6082) erfolgreich umgesetzt werden. Die Kegelrad-Halbzeuge wurden vom TP A4 mittels Auftragschweißen hergestellt, wobei der verschleißfeste Werkstoff (41Cr4 bzw. X45CrSi9-3) im äußeren Bereich der zukünftigen Zahnflanken vollflächig aufgebracht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass infolge der anschließenden Warmumformung ein homogener Werkstoffübergang entsteht, der durch eine feinkörnige Mikrostruktur gekennzeichnet ist. In den Abbildungen 1 und 2 sind ein geschmiedetes Kegelrad und der Fügezonenverlauf entsprechend dargestellt. Für den Demonstrator Lagerbuchse wurden zunächst konzentrische Aluminium-Stahl-Halbzeuge mittels Strangpressen im TP A1 hergestellt. Hier konnte gezeigt werden, dass zu geringe Temperaturgradienten bzw. nicht ausreichende Umformtemperaturen zum Versagen beim Schmieden führen. Mit zunehmender Umformtemperatur konnte ein inselartiges Wachstum intermetallischer Phasen entlang der Fügezone nachgewiesen werden. Parallel zu der Entwicklung der Halbzeugfertigung im TP A1, wurden im TP B2 die erforderlichen Umform- und Erwärmungskonzepte entwickelt und umgesetzt. Zum Test der Systeme wurden vor der Bereitstellung von stranggepressten hybriden Halbzeugen Versuchshalbzeuge eingesetzt, die durch einen Schrumpfverband gefügt wurden, um die tatsächliche Verbindung der hybriden Halbzeuge anzunähern. Auch Bereiche mit hohen Umformgraden ließen sich damit defektfrei herstellen.

Aktuelle Arbeiten und Ausblick

Die Ziele der zweiten Förderperiode sind zum einen die Erweiterung der Komplexität hybrider Bauteile durch die umformtechnische Verarbeitung und Eigenschaftsverbesserung mehrerer artfremder sowie gradiert aufgebauter Fügezonen. Zum anderen wird das Portfolio an Werkstoffkombinationen auf Titanlegierungen ausgeweitet (Demonstrator Lagerbuchse) und eine neue asymmetrische Geometrie (Demonstrator Querlenker) untersucht. Weiterhin werden teilummantelte Halbzeuge am Beispiel des Demonstrators Kegelrad untersucht, bei denen die verschleißfeste Schicht nur lokal im Bereich der Zähne aufgetragen wird (TP A4). Eine weitere Steigerung der Komplexität erfolgt durch die Füllung des auftraggeschweißten hybriden Halbzeuges mit einem Aluminiumkern. Im Fall der Lagerbuchse aus Titan-Aluminium-Halbzeugen steigen die Anforderungen an die Temperaturgradienten, die während der induktiven Erwärmung eingestellt werden müssen. Hierfür wird der eingesetzte Erwärmungsprozess durch Konzepte zur zeitgleichen Kühlung von Halbzeugbereichen, z. B. durch lokale Spraykühlung oder innengekühlte Greiferbacken (TP C7), erweitert. Des Weiteren wird durch die Kombination von Strangpressen und Gesenkschmieden die Herstellung eines Stahl-Aluminium-Langteils mit asymmetrischer Geometrie erfolgen. Dieses wird an einen Querlenker aus dem Bereich der Fahrzeugtechnik angelehnt sein. Wesentliche Herausforderungen sind die asymmetrische Halbzeuggeometrie, deren Erwärmung sowie die Steuerung des inhomogenen Materialflusses, welcher im TP C1 simulativ vorhergesagt werden soll, um die Gestaltung der Umformwerkzeuge gezielt darauf auszurichten.